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郭金刚，李耀辉，何福莲，傅广胜，高胜， ＂厚直接顶板爆破破碎技术控制留空巷道稳定性研究"，冲击与振动， 卷。2021， 文章的ID6613562， 12 页面， 2021． https://doi.org/10.1155/2021/6613562
厚直接顶板爆破破碎技术控制留空巷道稳定性研究
郭金刚，1，2 赵耀辉经济学李，1，2 Fulian他
，1
傅广生，3.
和
盛高4
1中国矿业大学(北京)能源与矿业工程学院，北京10083
22 .大同煤矿集团有限责任公司，山西大同037003
3.中国冶金地质局山东局，青岛26600，中国
42 .中芯能源科技发展有限公司，北京10083
摘要
摘要留空进路技术是长壁煤矿常用的一种进路技术，它可以减少进路对下一采区的开挖。但由于受到多次开挖开采的影响，围岩的稳定性控制成为一个难题。针对上述问题，采用了典型的厚直接顶板留空巷道，采用了爆破破碎顶板技术，改善了巷道的应力环境，减少了巷道的变形和破坏，保证了巷道的稳定性和安全性。为研究压裂顶板参数，建立了考虑应变软、双屈服本构的厚直接顶板全局模型。结果表明，围岩应力、破坏范围和变形与顶板高度和顶板折裂角度密切相关，并给出了优化实例。将仿真结果应用于现场实践，取得了良好的应用效果。上述技术和研究方法对类似条件的煤矿具有一定的参考价值。
1.介绍
在中国，超过90%的地下矿山采用长壁采矿法[1]．长壁工作面由一个工作面和两个用于通风、运输和行走的巷道组成。通常在两个采空区之间设置煤柱来分隔采空区(见图)1(一))，却造成煤炭资源的巨大浪费[2，3.]．大型长壁采场的走向长度通常为几公里，进场开挖需要大量的人力、资源和时间，这可能导致采掘之间的紧张关系。同时，该开采方案通风为“U”型，不利于高瓦斯煤矿的安全生产[4，5]．为了避免上述问题，许多煤矿采用人工支撑的留空巷道(见图)1 (b))，控制围岩稳定性，减少矸石和采掘量，改善通风方式[6]然而，这种开采方案不能有效地改善围岩应力，人工支护的施工也费时费力。近年来，我国广泛采用爆破破碎顶板技术（BFRT）来保留采空区侧巷（图1 (c)）.该技术可以通过调整顶板赋存状态来改变留空巷道的应力环境。在不需要煤柱和人工支护的情况下，保证了沿空巷道的稳定性，大大降低了施工成本和时间[7，8]．
(一)
(b)
（c）
学者和工程技术人员对BFRT进行了大量的研究，重点研究了BFRT前后的压裂方法和参数以及覆岩顶板结构对留空巷道的影响。目前顶板的压裂方法主要有爆破、水力压裂和电锯。Zhang等[9]通过LS-DYNA3D模拟软件对爆破破裂顶板参数进行了研究，给出了顶板爆破时的有效应力，并对钻孔间距进行了优化，在现场实践中取得了良好的效果。Huang et al. [10应用水力压裂方法切割留空巷道顶板，建立了留空巷道悬挂硬顶板的定向水力分析模型，得到了顶板不同破碎位置时的应力分布。探讨了影响破裂位置的因素，计算出最佳水力压裂位置和参数。Tai等人[11[，]介绍了一种新型的带链锯臂和设备的BFRT，通过仿真分析研究了留空巷道周围的垂直应力，指出采用该方法后应力降低了25%。
在BFRT参数研究中，Ma等[12]通过理论分析和力学试验研究了压裂角度，得出了压裂角度对围岩应力影响较大的结论;在一定的地质条件下，给出了合理的压裂角。侯等人[13]采用离散元数值软件UDEC对南阳煤矿的压裂高度进行了分析;结果表明，BFRT能够有效消除顶板的破碎破坏，且变形量随压裂高度的增加而减小。最终获得了合理的压裂高度为18 m。他等人[14提出了应用于厚煤层的定向压裂顶板技术和恒阻大变形锚索支护方法，并通过数值模拟探索了合理的压裂高度和角度。该技术应用于留空巷道，巷道变形满足开采要求。
BFRT可以通过改变留设沿空巷道上方顶板的赋存状态来改善围岩的应力环境，减少巷道变形和破坏。关于顶板结构对围岩变形机制的研究，Bai等人[15)发现,上面的硬悬臂梁gob-side条目大大压缩底层煤层通过现场调查和数值模拟,使围岩不稳定,并指出伟大的水平和垂直应力和弹性能量损失的主要原因是周围的岩石。关于BFRT后的屋顶结构，Wang等[16]建立了短悬臂梁力学模型，研究了顶板变形原理及关键影响因素，结果表明，BFRT后顶板转角和巷道宽度对顶板变形影响较大。Yang等人[17]通过等效材料模拟实验发现，当压裂角不为零且高度大于采厚时，可形成稳定的顶板结构。为了控制采空区巷道的稳定性，他们建议不仅要关注煤体和顶板稳定结构的支撑，还要关注它们的破坏。Yang等人[18]通过理论和数值模型探讨了不同顶板破裂位置下顶板的移动特征，提出合理的顶板破裂位置可以使顶板破裂体形成稳定的崩落结构。Zhang等[19]通过对急倾斜煤层采用BFRT沿空留巷上方硬顶板结构与采用传统人工支护的硬顶板结构的比较，提出顶板破碎后的塌陷结构可以避免煤矸石的影响，形成路侧支护，减少沿空留巷的变形。
在上述研究的基础上，结合DDG煤矿厚直接顶板的工程地质条件，阐述了BFRT保留采空区巷道围岩稳定性原理。建立了考虑应变软化和双屈服本构的厚直接顶板BFRT模拟模型，研究了围岩的塑性范围、支承应力和变形。在此基础上，得到了最优顶板压裂情况。最后，在5201留空巷道进行了现场试验，通过监测留空巷道周围围岩的变形，取得了良好的应用效果。
2.工程地质条件与实验室力学试验
２.１.工程地质条件
试验场煤层接近水平，平均厚度3.6 m，埋深450 m。对于位于面板8206和面板8201之间的保留的采空区侧入口5201(图2)，先开采8201盘区，然后撤退8206盘区，沿空入口5201为两个盘区(8206盘区和8201盘区)服务。在保留采空区5201巷道中应用BFRT，保证了围岩的稳定性。全区采用综合机械化设备开采。面板上地层为泥质粉砂岩(8 m)、细砂岩(5 m)和粉质泥岩(6 m)，煤层下地层为泥岩(1 m)和中细砂岩(10 m)。数字3.显示试验点的广义地层柱。垮落带高度为13.3 m，垮落角为45°。
5201留空巷道宽度为5.2 m，高度为3.6 m。屋面用螺栓的长度为2500mm，直径为22mm。它们设置的间距为1000 × 1100 mm。屋面锚杆的长度和直径分别为8300 mm和17.8 mm，间距为2000 × 1300 mm，均采用“W”钢带连接。两根煤肋支撑结构对称，肋内螺栓长度、直径、间距分别为2000mm、22mm、1000 × 1000mm。屋顶和两根肋骨上铺设了金属网。小组8201年撤退后,锚和每一行添加液压支柱支持屋顶,和两个煤矸石挡板用于阻止煤矸石在每一行,煤矸石挡板的高度和厚度是124毫米和16毫米,分别和两个煤矸石挡板安排每一行。屋面边缘加锚长度为10300mm，直径为17.8 mm，液压支柱荷载为100kn。具体支撑参数如表所示1和图4．
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l为螺栓或锚的长度;l
r为浆液长度;D表示直径；F
t抗拉强度。 |
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(一)
(b)
2.2.实验室机械试验
岩石和煤的样品是从8201板上钻取的，并在实验室中制作，如图所示5．力学试验在三轴试验机(TAW-1000 kN)上进行。的弹性模量E，单轴抗压强度σc，单轴抗拉强度σt，泊松比 ，凝聚力c，对摩擦角Ф进行了测试。煤岩的力学参数如表所示2．
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3.基于BFRT的围岩控制机理研究
盘区后退后，覆岩破落时在采空区上方形成垮落带和裂隙带，在保留的采空区侧巷道上方会有悬臂梁(图)6(一)）.由于悬臂梁下方无支撑，悬臂梁自身自重和悬臂区上覆荷载使悬臂梁发生弯曲，并转化为采空区矸石和原煤肋。由于采空区矸石的承载能力较弱，原煤肋将承担大部分荷载。同时，自重和覆岩载荷会形成较大的弯曲运动力，对留空巷道围岩产生压缩作用。因此，悬挑带的存在使得围岩的稳定性难以维持，对安全生产有着巨大的影响。
(一)
(b)
在本研究中，BFRT通过深孔爆破在保留采空区入口上方形成一条压裂线(图)6 (b))然后，悬臂梁重量和上覆岩层荷载使其沿破裂线断裂，减少悬挑长度，从而减小自重和上覆岩层荷载对围岩的影响，改善应力环境，保证留设沿空留巷的稳定性。
4.BFRT的数值模拟研究
4．1.研究模式与方案
4.1.1.全球模型
根据BFRT对围岩的控制机理，压裂高度和角度是BFRT的关键参数。通过数值模拟得到合理的压裂高度和角度(图2)7)，其尺寸为380米× 53米× 10米。模型顶部施加竖向应力10.2 MPa，模拟覆盖层荷载，并考虑重力。模型在水平方向上施加的水平应力为垂直应力的1.2倍。底部和四周都被限制了。煤层和采空区分别采用软应变本构和双屈服本构。另一层采用莫尔-库仑结构。
4.1.2。研究案例
数值模拟设置了七组情况。Case 7不采用BFRT，留空巷道上方顶板自然崩落，崩落高度H和角度α的情况见本节2.1．情况1、2、3的压裂高度为13 m，压裂顶板为直接顶板和主顶板，压裂角度为β其中60°、75°和90°(图)8（a））.案例4、5、6的压裂高度为8 m(图4)8 (b))，压裂顶板为直接顶板，压裂角度为β其中60°，75°和90°。案例参数如表所示3.．
(一)
(b)
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4．2．仿真参数的测定
岩石力学参数对数值模拟结果起着重要作用。实验室获得的岩石和煤样的力学性质没有考虑岩体和煤体中的裂隙和节理，不能真正反映岩体的力学性质。通过修正完整岩石的强度，可以得到煤岩体的力学特性。因此，通过RocLab软件对岩石和煤样的力学参数进行修正，适用于数值模拟，如表所示4． 哪里是单轴抗压强度和和分别为最大和最小主应力。 ，年代,一个是常数，可通过以下方程式获得： 哪里米ci是完整岩石的常数，D为扰动系数，GSI为断裂岩的评价参数。
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煤的破坏过程包括弹性阶段、塑性阶段和残余阶段[20]提出应变-软结构能更真实地模拟上述阶段。因此，本研究将应变-软本构应用于煤层，煤破坏后的力学特性是通过改变黏聚力和摩擦来实现的;它们是通过实验室测试获得的，见表5．
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4．3．双产量结构在采空区的应用
4.3.1。采空区脉石参数的确定
采空区崩落煤矸石的性质对Jiang等人模拟的准确性至关重要[21]双屈服本构能实现应力随材料变形的变化，能真实模拟崩落煤矸石的力学性能。因此，在采空区煤矸石中采用了双屈服结构。顶盖压力是双屈服模型中的重要参数之一。根据对萨拉蒙的研究[22],•[23， Jiang等人[24时，帽压可由以下公式表示: 哪里σc为矸石的单轴抗压强度，ԑ是脉石的应变，b是体积因数，和hcr为塌陷带的高度。8201盘区开采高度为3 m，崩落高度为13.3 m，见Section2.1．
采空区脉石的其他参数可通过反分析法确定。具体方法是建立立方体，在模型顶部应用固定速度，并固定其他边界。然后调整参数，使其接近Salamon分析结果。本研究中，采空区脉石的性质与这些性质非常一致Salamon通过反分析法计算（图9)，采空区脉石性质如表所示6．
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4.3.2。采空区模拟验证
为验证双屈服模型及其参数选择的可靠性和准确性，对采空区垂直应力进行了研究。数据10 ()和1010 (b)分别显示垂直应力云图和曲线。从图中可以看出10从采空区边缘到距采空区边缘60 m处，垂向应力由2 MPa逐渐增大到10.9 MPa，采空区中部垂向应力(10.9 MPa)为原始应力(11.25 MPa)的96.8%;斯马特和海莉[25]指出，零应力到原始竖向应力的距离约为覆盖层厚度的0.12倍。在本研究中，恢复到原始应力的距离为覆盖层厚度(60 m/450 m)的0.13 m。上述数据表明，采空区采用的双产量模型和参数是准确的。
(一)
(b)
4.4。仿真结果
4.1.1。塑性区分布
不同BFRT下围岩塑性区分布如图所示11．1-7层煤肋塑性区深度分别为6.6 m、6.4 m、5.2 m、7.0 m、6.8 m、6.8 m、7.2 m，底板煤肋塑性区深度为2.4 m。上述数据表明，不采用BFRT时，煤肋塑性区深度最大(案例7);时大大降低的主要和直接的屋顶是骨折(例1、例2和例3),和塑料的最大减少深度约为2 m相比没有BFRT(案例7)。然而,最大减少塑料深度只有0.4米时直接顶板断裂(例4例5,当压裂角度相同时，主顶板和直接顶板下煤肋的塑性区深度均小于直接顶板下煤肋的塑性区深度;当压裂高度相同时，压裂直接顶板和主顶板下的塑性区深度随压裂角度的增大而减小，但随压裂主顶板下的压裂角度变化不明显。
(一)
(b)
（c）
（d）
（e）
（f）
（g）
同时，不同情况下，留空巷道上方顶板弹性区位置也会发生变化(图)11和12）.随着压裂角度的减小，弹性未破坏区逐渐向保留采空区的顶部移动。当压裂角度相同时，压裂直接顶板的弹性区域大于压裂主顶板的弹性区域。弹性区面积最大(13.64 m)2)在压裂直接顶板和主顶板的90°(情况3)下，最小(9.76 m2)，弹性区域为围岩未破坏区域，弹性区域越大，围岩破坏越小，围岩稳定性越好。根据上述分析,压裂的直接和主要的屋顶和增加压裂有益于减少煤炭肋骨的塑性区深度,增加弹性区面积,并让它定位在gob-side条目,可以极大地提高围岩的稳定性。
10/24/11。支承压力研究
留空巷道煤肋垂直应力分布如图所示137例的峰值为41.9 兆帕，44.9 兆帕，39.8 兆帕，49.2 兆帕，46.5 兆帕，45.0 MPa和51.3 根据七种情况下的垂直应力分布原理，可以得出峰值最小（39.8 MPa） 其位置最靠近煤肋（5.3 m） 在90°断裂直接顶板和主顶板下，桥台应力的影响范围最小，峰值最大（51.3%） MPa），且其位置距离煤肋最远（7.3 m） 在非压裂顶板下，支承应力的影响范围最大，当压裂高度相同时，峰值随压裂角度的增大而减小；当压裂角度相同时，与压裂直接顶板相比，压裂直接顶板和主顶板的峰值减小：(我)不同压裂高度和角度下煤肋的垂向应力(2)煤壁垂直应力峰值及其位置
(一)
(b)
4.4.3。围岩变形
如图所示147种情况下，顶板和煤肋的变形差异较大，而底板之间的变形差异较小。直接顶板和主顶板发生破裂时顶板和煤肋的变形明显小于主顶板发生破裂时的变形。当压裂高度相同时，压裂角度越大，顶板和煤肋的变形越小。顶板(27.8 mm)和煤肋(35.4 mm)在直接顶板和主顶板90°破裂情况下变形最小。根据顶板变形情况如图所示(14日)，情况5和情况6的顶板最大变形分别为40.5 mm和43.7 mm，均大于情况7 (40 mm)。上述现象的原因是主要的屋顶仍然逼近后立即屋顶是断裂的,它失去了过剩的支持直接的屋顶,这使得自己的主要屋顶和上覆岩层的重量负荷转移到周围的围岩保留gob-side条目,所以巨大的压力和弯曲运动作用在屋顶上。这就是直接顶板破裂后顶板变形大于未破裂顶板变形的原因。
(一)
(b)
（c）
基于上述分析,比较7例,发现情况3(压裂直接和主要屋顶90°)是最优控制的稳定保留gob-side条目,可以改善应力环境的范围,降低围岩的塑性区和变形。
5.实地测试
将BFRT应用于直接顶板厚的5201留空巷道，研究其应用效果。根据模拟结果和施工现场技术问题，现场试验采用的爆破钻孔直径为48 mm，长度为12500 mm，主顶板和直接顶板均破裂，破裂角设为85°。钻孔爆破后布置图及检测图如图所示15．
对留空巷道围岩变形进行监测，结果如图所示16．滞后工作面0 ~ 50 m区间围岩变化较小，50 ~ 140 m区间围岩变化较大。在140 m ~ 200 m区间，围岩变形变化平稳。从图中可以看出(16日)顶板、煤肋和底板的最大变形变化分别为128 mm、78 mm和17 mm。上述数据表明，BFRT较好地控制了留空巷道围岩的稳定性，现场支护效果如图所示16 (b)．
(一)
(b)
6.结论
针对留空巷道上厚直接顶板的地质条件，建立了考虑应变软化和双屈服本构的数值模拟。通过对7个实例的对比研究，得出了一个能较好地控制留空巷道稳定性的最佳BFRT实例(即直接压裂与主顶板90°压裂)。
数值模拟结果表明，BFRT能够有效改善围岩应力环境，减小围岩的塑性区范围和变形量。在压裂角度相同的情况下，直接顶板和主顶板对围岩的控制效果优于直接顶板。当压裂高度相同时，压裂角度越大，应力释放效果越好。
现场试验表明，采用BFRT后，留空巷道围岩压力较小;顶板、煤肋和底板的最大变形变化分别为128 mm、17 mm和78 mm;围岩控制效果较好，说明在留空巷道中采用BFRT是可行和有效的。
数据可用性
用于支持本研究结果的研究数据包括在文章中。更多细节应向通讯作者提出。
的利益冲突
作者声明他们没有利益冲突。
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